Resonans fluorescens af en InGaAs Quantum Dot i en Planar hulrum bruger ortogonale Excitation og påvisning
Summary
Resonant excitation af en enkelt selvsamlede quantum dot kan opnås ved hjælp af en excitation mode ortogonale i forhold til fluorescens samling tilstand. Vi demonstrere en metode ved hjælp af bølgeleder og Fabry-Perot tilstande af en planar microcavity omkring quantum dots. Metoden giver mulighed for komplet frihed i påvisning polarisering.
Abstract
Evnen til at udføre samtidige resonant excitation og fluorescens opdagelse er vigtig for quantum optiske målinger af quantum dots (QDs). Resonant excitation uden fluorescens afsløring – for eksempel en differentieret transmission måling – kan bestemme nogle egenskaber af udsender systemet, men tillader ikke applikationer eller målinger baseret på de udsendte fotoner. Måling af photon korrelationer, observation af Mollow triplet og realiseringen af single photon kilder alle kræver f.eks samling af fluorescens. Usammenhængende excitation med fluorescens afsløring – for eksempel ovenfor band-gap excitation – kan bruges til at oprette enkelt foton kilder, men forstyrrelse af miljøet på grund af excitation reducerer indistinguishability af fotonerne. Enkelt foton kilder baseret på QDs skal være resonantly glade for at have høj foton indistinguishability, og samtidig indsamling af fotonerne vil være nødvendigt at gøre brug af dem. Vi demonstrere en metode til at resonantly vække en enkelt QD indkapslet i en planar hulrum af kobling excitation stråle i dette hulrum fra prøven kløvet ansigt mens indsamling fluorescens langs den prøve overflade normale retning. Ved omhyggeligt matchende excitation strålen til bølgeleder tilstand af hulrummet, kan excitation-lyset par ind i hulrummet og interagere med QD. De spredte fotoner kan koble til Fabry-Perot tilstand af hulrum og flygte i overfladen normale retning. Denne metode giver mulighed for komplet frihed i påvisning polarisering, men excitation polarisering begrænses af formering retning af excitation stråle. Fluorescens fra befugtning lag giver en guide til at justere stien samling med hensyn til magnetisering stråle. Orthogonality af excitation og påvisning modes giver resonant excitation af en enkelt QD med ubetydelig laser spredning baggrund.
Introduction
Resonant excitation af en enkelt quantum emitter kombineret med registrering af fluorescens var en langsigtet eksperimentelle udfordring hovedsagelig på grund af manglende evne til at spektralt diskriminere den svag fluorescens fra stærke excitation spredning. Denne vanskelighed, dog har været med succes overvinde i det sidste årti af to forskellige tilgange: dark-felt Konfokal excitation baseret på polarisering forskelsbehandling1,2,3,4 ,5, og ortogonale excitation-påvisning baseret på fysisk tilstand forskelsbehandling6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Begge metoder viser en stærk kapacitet betydeligt undertrykke laser spredning og dermed er almindeligt vedtaget i forskellige eksperimenter, for eksempel observation af spin-foton entanglement5,15, 16, demonstration af klædt stater2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26og sammenhængende manipulation af begrænset spins3,27,28,29,30. Hverken tilgang kan anvendes universelt til enhver situation; hver er begrænset til nogle særlige betingelser. Mørke-felt teknik anvender polarisering frihedsgrad fotoner til at undertrykke excitation laser spredning. Denne teknik har flere fordele. For eksempel, er der ingen krav om en veldefineret bølgeleder tilstand, som muliggør Konfokal-kun gennemførelse. Konfokal gennemførelsen giver cirkulært polariseret excitation og eventuelt strammere fokus af excitation stråle på quantum emitter, hvilket resulterer i højere excitation intensitet. Dog denne polariseringen-selektiv metode begrænser påvisning polarisering skal ortogonale i forhold til magnetisering polarisering, og dermed forhindrer en fuldstændig karakterisering af egenskaberne polarisering af fluorescens. I sammenligning bevarer rumlig tilstand forskelsbehandling påvisning polarisering komplet frihed ved at udnytte orthogonality mellem formering tilstande af excitation og påvisning bjælker til at undertrykke laser spredning4. Begrænsningerne af denne teknik er nødvendigheden af at en bølgeleder struktur i stikprøven til at give en excitation mode ortogonale i forhold til påvisning mode og begrænsning af excitation polarisering skal være vinkelret på formering retning af bjælken .
Her viser vi en protokol til at konstruere en fri-rum-baserede ortogonale excitation-påvisning setup for resonans fluorescens eksperimenter. Sammenlignet med det banebrydende arbejde på fysisk tilstand forskelsbehandling hvor en optisk fiber blev brugt til at par lys ind i hulrummet6, denne protokol giver en løsning i ledig plads, og kræver ikke kinetic komponenter at montere enten prøven eller den fiber i kryostaten. Fin kontrol af retninger af excitation stråle og registrering sti er manipuleret af optik uden for kryostaterne, mens asfærisk singlet objektiver fungere som fokus mål inden den kolde region af kryostaterne. Vi giver repræsentative billeder af de centrale justering skridt i processen med at opnå resonant excitation og afsløring af fluorescens fra en enkelt quantum dot.
Prøver til brug for denne demonstration er vokset med molekylær stråle epitaxy (MBE). InGaAs quantum dots (QDs) er indlejret i en GaAs spacer, der er afgrænset af to distribuerede Bragg reflektorer (DBRs), som vist i visningen zoome ind i eksemplet i figur 1. GaAs spacer mellem DBRs fungerer som en bølgeleder, hvor excitation strålen er begrænset af total interne reflection. DBRs også fungere som høj reflektivitet spejle for wavevectors, det er næsten normale at prøve flyet. Dette udgør en Fabry-Perot tilstand som QDs par når udsender fluorescens. Fabry-Perot tilstand skal være resonant med emission bølgelængde λ af QDs, som kræver GaAs spacer skal være et heltal multiplum af λ/n, hvor n er indekset for brydning af GaAs. For denne demonstration, er tykkelsen af GaAs spacer valgt at være 4λ/n, som er ca 1 µm, for at være i nærheden af diffraktion begrænset spot størrelse af den hændelse excitation stråle. En smallere spacer ville resultere i en lavere kobling effektivitet af excitation stråle i tilstanden bølgeleder.
Opsætningen af eksperimenterende er vist i figur 1. At maksimere kobling effektivitet, en asfærisk single-linse mål Eobj med numerisk blænde NA = 0,5 og brændvidde på 8 mm er valgt at fokusere excitation stråle ind kløvet over for prøven. Funktionen af de keplerske kikkert (sammensat af linse par E1 og E2) i stien excitation er todelt: (1) at fylde blænde af excitation mål Eobj så excitation strålen er stramt fokuseret for bedre tilstand-matching til bølgeleder (i denne erkendelse kollimeres lysbundtets diameter er 2.5 mm), og (2) at give tre grader af frihed til at manøvrere omdrejningspunktet for excitation stråle på prøven kløvet overflade. Linse E1 er monteret på en X-Y translationel mount, der giver to grader af frihed til at flytte excitation stedet frit i flyet af kløvet prøve ansigt. Linse E2 er monteret på en ikke-roterende zoom boliger som giver frihed til at vælge dybden af omdrejningspunktet i prøven. Disse tre grader af frihed tillader os at optimere resonant excitation af en enkelt QD uden at kræve bevægelse af prøven selv.
I stien fluorescens samling bruges en lignende linse konfiguration (Lobj, L1 og L2) til at tillade registrering af fluorescens fra forskellige dele af prøven. Lyset fra prøven er fokuseret af en af to rør linserne på enten en IR-følsomme kamera (Lcam) eller indgangen spalten af spectrometer (Lspec). Bevægelse af L1 langs z-aksen justerer fokus i billedet, og laterale oversættelse af L2 forårsager billede til at scanne hele flyet af prøven. Brændvidder af L1 og L2 er lige så deres forstørrelse er enhed. Dette er gjort for at maksimere området L2 kan oversættes før vignettering opstår.
For at lette justering og placering af en QD, iblandes en hjem-bygget illuminator baseret på Kohler belysning setup, som vist i figur 1. Formålet med Kohler belysning er at levere ensartede belysning til prøven og sikre, at en image af belysning lyskilden er ikke synlige i prøven billede. Linse konfigurationer af både illuminator og stien samling er omhyggeligt designet til at adskille de konjugerede billede fly af prøven og lyskilden. Hver linse i stien samling er adskilt fra sine naboer med summen af deres brændvidder. Dette sikrer, at uanset hvor prøven billede er i fokus – som på sensoren af kamera-lyskilde billedet er helt svækkede. Ligeledes, hvor lyskilden billedet er i fokus – som på tilbage brændplanet af målet – prøve billede er helt område. Lyskilden er en kommerciel light emitting diode (LED) udsender på 940 nm. Blænde membran giver mulighed for justering af belysning intensitet, og feltblændet bestemmer synsfelt skal oplyses. Nøglerne til at realisere ensartet belysning er at indstille afstanden mellem linse K4 og L2 skal summen af brændvidder af de to objektiver, og for at sikre, at blænde af Lobj er ikke overfyldt af belysningen. I denne protokol bruges at belysningen også til at optimere afstanden mellem Lobj og prøven.
Mål Lobj og begge rør objektiv giver en forstørrelse på 20 x på kameraet eller spektrometeret. Linse par L3 og L4 mellem Lobj og Lspec danner en anden keplerske kikkert, der giver en ekstra 4 x forstørrelse til billedet på afgift – sammen enhed (CCD) i spektrometeret. Tilsætning af linser L3 og L4 resultater i en total forstørrelse af 80 x, som er nødvendige til rumligt skelne fluorescens fra nærliggende QDs. L3 og L4 er monteret på flipping mounts til at lette skift af forstørrelse fordi 20 x forstørrelse giver en større synsfelt på prøve.
For at overlappe synsfelt samling stien med stien af excitation stråle gennem bølgeleder, er emission fra kontinuum af quantum dot befugtning lag nyttigt. Man kan bestemme emission boelgelaengden befugtning lag ved at måle emission spektrum af prøven under ovenfor band-gap excitation. For vores eksempel, fugte lag emission forekommer på ca 880 nm ved 4.2 K. Ved at koble en cw laserstråle på 880 nm i bølgeleder af prøven, kan man iagttage en stribe mønster dannet af PL fra befugtning lag, som er vist i den medfølgende video. Streak afslører stien formering af excitation-lyset, der har været koblet ind i bølgeleder. Tilstedeværelsen af denne stribe, kombineret med evnen til at billede overfladen af stikprøven gør justering ligetil.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritiske trin i protokollen er: mode-matching og justering af excitation bom til bølgeleder tilstand; og korrekt justering og fokusering af samling optik. De mest vanskelige dele af disse trin er den første tilpasning; optimere kobling af en allerede tilpasset opsætning er relativt ligetil. Overlappende samling og excitation områder er et skridt, der er enkel med evnen til at image prøve på kameraet, men er meget svært uden denne evne. For at have høj kvalitet billeddannelse, er ordentlig Kohler belysning krit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Glenn S. Solomon giver prøven. Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (DMR-1452840).
Materials
| Tunable external cavity diode laser | Toptica Photonics | DL-Pro | |
| Closed-cycle cryostat | Montana Instruments | Cryostation | |
| Spectrometer, 750 mm focal length | Princeton Instruments | SpectraPro 2750 | |
| Thermoelectrically cooled charge-coupled device | Princeton Instruments | Pixis 100BR-eXcelon | |
| HeNe laser | JDSU | 1125P | |
| Infrared sensitive camera | Sony | NEX-5TL | IR blocking filter removed |
| Power meter and detector | Newport | 1918-C, 918D-IR-OD3 | |
| Adjustable aspheric fiber collimator | Thorlabs | CFC-8X-A | |
| Air-Spaced Doublet Collimator | Thorlabs | F810APC-842 | |
| Protected Silver Mirrors x 5 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Flip mounts x 2 | Thorlabs | FM90 | |
| Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 | Thorlabs | ACL2520-B | |
| Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 | Thorlabs | LBF254-050-B | |
| Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 | Thorlabs | LBF254-100-B | |
| Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam | Thorlabs | LBF254-200-B | |
| Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 | Thorlabs | LA1172-B | |
| Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj | Thorlabs | C240TME-B | |
| Precision asphere, f = 10 mm; Lobj | Thorlabs | AL1210-B | |
| Longpass Filters, 800 nm, x2 | Thorlabs | FEL0800 | |
| Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) | Thorlabs | BS029 | |
| Pellicle beam splitter | Thorlabs | BP108 | |
| Polarizer | Thorlabs | LPNIRE100-B | |
| Light emitting diode, 940 nm | Thorlabs | M940D2 |
References
- Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).
- Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -. Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
- Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).
- Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
- Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
- Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
- Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).
- Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).
- Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).
- Ge, R. -. C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
- Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).
- Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
- De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
- Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).
- Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).
- Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
- Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).
- Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072 (2015).
- Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
- Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).
- Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).
- Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
- Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).
- Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
- Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).
- Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
- Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
- Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
- Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
- Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
- Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
- Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
- He, Y. -. M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).
